甘氨酸摻雜二硼化鎂多晶塊體的制備及超導(dǎo)性能研究.pdf

1、通過簡(jiǎn)單的化學(xué)摻雜獲得高性能的超導(dǎo)材料部件是目前MgB2超導(dǎo)材料研究的一個(gè)主要方向，經(jīng)過了十余年的發(fā)展，轉(zhuǎn)變溫度為39K的超導(dǎo)體MgB2已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于變壓器、線圈和粒子加速器等大型裝置中。其中，含碳化合物是為了滿足這些應(yīng)用中高載流的要求而加入的一種主流添加劑以實(shí)現(xiàn)碳摻雜。鑒于常用的含碳化合物都局限于僅含有 C、H和O三種元素，本文選用最簡(jiǎn)單的氨基酸（一類含C和N的化合物）甘氨酸作為添加劑，著眼于影響MgB2性能的兩個(gè)主要因素：磁通釘扎

2、中心和晶粒間連接性，在固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械球磨、溶液包覆、低溫?zé)Y(jié)和兩步燒結(jié)技術(shù)，對(duì)添加甘氨酸的多晶MgB2塊體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，旨在獲得高性能的MgB2材料，并澄清這一類添加劑在MgB2體系中的作用機(jī)理。主要的研究方法包括通過X–射線衍射技術(shù)和電子顯微技術(shù)確定樣品的相組成和微觀組織中可作為有效磁通釘扎中心的雜質(zhì)相顆粒，觀察晶粒間的連接性，再通過物理性能測(cè)試評(píng)估其超導(dǎo)性能，從而在MgB2材料的組織和超導(dǎo)性能之間建立聯(lián)

3、系。完成的主要研究工作和獲得的主要結(jié)論有：
　　首先向Mg–B體系中添加2～8 wt.％甘氨酸制備MgB2多晶塊體，以確定獲得最高臨界電流密度時(shí)所對(duì)應(yīng)的添加濃度。雖然氮元素并未體現(xiàn)出有利作用，但少量的甘氨酸除了作為碳源，還可以在低溫下與Mg反應(yīng)生成可作為有效磁通釘扎中心的MgO。采用多重速率掃描法（Flynn–Wall–Ozawa法）對(duì)添加3 wt.%甘氨酸的Mg–B體系的固–固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分析，由于固–固反應(yīng)前MgO的生

4、成，充當(dāng)了形核位置，與未摻雜的Mg–B體系的二級(jí)Avrami–Erofeev機(jī)理函數(shù)不同，Mg–B的固–固反應(yīng)是界面控制生長(zhǎng)的一級(jí)反應(yīng)，且反應(yīng)激活能有所降低。于是對(duì)MgB2體系而言，甘氨酸是一種頗有前途的添加劑，3 wt.%甘氨酸的添加在較大的磁場(chǎng)范圍內(nèi)提高了臨界電流密度和不可逆磁場(chǎng)，為最佳添加量。后文則在添加3 wt.%甘氨酸的基礎(chǔ)上采用了不同的制備技術(shù)以獲得優(yōu)異性能。
　　采用機(jī)械球磨法對(duì)B粉進(jìn)行前期處理，制備了含3 wt.%

5、甘氨酸的多晶MgB2塊體。前期球磨在B粉中儲(chǔ)存的能量有利于Mg–B固–固階段的反應(yīng)，從而降低了樣品的結(jié)晶度、促進(jìn)了碳摻雜和減小了晶粒尺寸，對(duì)高磁場(chǎng)下的臨界電流密度產(chǎn)生了有利的影響。適時(shí)的球磨使來自瑪瑙球的適量Mg2Si雜質(zhì)顆粒和來自甘氨酸的MgO作為有效的磁通釘扎中心，與未摻雜和未球磨的添加甘氨酸的樣品相比，提高了高磁場(chǎng)下樣品的臨界電流密度。但過長(zhǎng)時(shí)間的球磨對(duì)超導(dǎo)性能不利。
　　通過溶液包覆法利用甘氨酸的酒精溶液對(duì)原始粉末進(jìn)行處理

6、，分別單獨(dú)包覆Mg粉、單獨(dú)包覆B粉和同時(shí)包覆Mg粉和B粉，制備了含3 wt.%甘氨酸的多晶 MgB2。包覆法有利于MgO均勻地分散在樣品中，避免了團(tuán)聚成為大尺寸雜質(zhì)相惡化晶粒間連接性，且有利于碳摻雜水平的提高，在高低磁場(chǎng)下都提高了臨界電流密度?？偠灾卜ㄍ瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了磁通釘扎效應(yīng)的增強(qiáng)和晶粒間連接性的優(yōu)化。
　　在低溫?zé)Y(jié)的樣品中，Cu活化燒結(jié)解決了低溫下甘氨酸添加的Mg–B體系只生成MgO相和Mg粉剩余的問題，大大促進(jìn)了燒結(jié)效

7、率。低溫?zé)Y(jié)試樣中的釘扎作用主要來自于納米級(jí)的雜質(zhì)相顆粒，除了來自于甘氨酸和Mg反應(yīng)生成的MgO（~20 nm）之外，保溫8 h以下樣品中的雜質(zhì)相主要是Mg2Cu，而保溫12 h以上的樣品中雜質(zhì)相主要是MgCu2（~10 nm）。在600 oC下的長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)顯著提高了樣品高磁場(chǎng)下的臨界電流密度，并維持了低磁場(chǎng)下的臨界電流密度水平，然而相比于溶液包覆法高溫?zé)Y(jié)的樣品，臨界電流密度卻有所降低。
　　兩步燒結(jié)法使雜質(zhì)相的引入變得簡(jiǎn)單，對(duì)

8、未摻雜的MgB2樣品進(jìn)行兩步燒結(jié)， MgB4以共格對(duì)應(yīng)關(guān)系從MgB2晶粒中析出，隨著二次升溫的溫度的升高，MgB4顆粒的長(zhǎng)大使其與母相晶粒的關(guān)系逐漸變?yōu)榘牍哺窈头枪哺駥?duì)應(yīng)關(guān)系。極少量的小尺寸自生MgB4雜質(zhì)相顆粒有利于提高未摻雜MgB2多晶塊體的臨界電流密度。將二次升溫技術(shù)應(yīng)用于含甘氨酸的MgB2體系中，MgB4雖然在提高臨界電流密度方面并沒有帶來積極作用，但可以作為雜質(zhì)散射中心以提高含甘氨酸的MgB2樣品的上臨界磁場(chǎng)，由未摻雜時(shí)的11